怕胖卻無力抵抗美食誘惑？物理學家可以這樣幫你

「肥胖危機」席捲全球，人們在高熱量的加工食品面前毫無抵抗之力。而一群軟物質物理學家說，他們可以製造出新型的功能食品，將產生飽腹感的激素直接釋放到腸道中，在不影響食品口感的前提下，讓人「一吃就飽」。

撰文Cait MacPhee（英國愛丁堡大學生物物理學家）

翻譯王可

審校楊晨 趙維傑

發達國家居民在變得更加肥胖。英國的肥胖率在過去25年中幾乎增長到原來的4倍；而在經濟合作與發展組織（OECD）大多數富裕的成員國中，超重和肥胖人群佔據了大部分人口。導致群體性肥胖的原因多種多樣，久坐的生活方式和高熱量即食食品顯然是重要因素，但事情並不完全如此。

在我們吃東西的時候，體內會進行極其複雜的激素調節過程，這一過程涉及的不止是我們當天吃下的食物，還與我們之前吃過的食品的種類和總量相關。不幸的是，我們的身體會在這樣的過程中習得一種易於變胖的傾向，而要想翻轉這種傾向讓身體重新變瘦並不容易。

舉例來說，讓我們想想身體是如何意識到自己吃飽了的。飽腹感（感覺吃飽了）和滿足感（不想再吃了）既來自於外部環境和物理因素，比如盤子的大小、食物的多少、胃部的飽脹程度，也來自於我們體內新陳代謝的反饋。當腸道探測到脂肪酸、糖類、氨基酸的存在，就會釋放出幾種已知的「飽腹感激素」。這些激素使我們感到「吃飽了」，但是人體釋放這些激素的途徑以及大腦對它們的調控方式非常複雜，我們還不完全清楚。我們的胃腸道是一組十分複雜的器官：舉個例子，口腔中有能夠讓我們感知食物甜、咸、苦、鮮味道的味覺受體，而這些受體在胃部、小腸、大腸中同樣存在。所以並不是只有嘴才能「品嘗」食物。

無論一個人是超重還是偏瘦，接受任何一種「飽腹感激素」的注射都會降低他的熱量攝入水平。但遺憾的是，這些激素很快就會恢復到原有水平，它們的作用甚至支撐不到下一頓飯的時間。此外，反覆給葯也起不到減肥的效果，因為互相聯結的激素反應能夠逐漸適應這些額外的激素。因此，飽腹感激素可能並不會成為一種好的候選減肥方案。那麼，是否還有其它可能有效的介入方案呢？

一種帶來飽腹感的方式，是在沙拉醬這樣的乳液狀食物（懸浮於水中的油滴）中加入功能成分。圖片來源：Shutterstock/hjochen

一種方案需要利用能夠增加飽腹感的外部因素，比如減小包裝食品的單包含量：結果不出所料，我們會因此吃得更少。我們也可以把食物做得更加厚實、更有嚼勁，這樣就需要咀嚼更多次、吃得更慢，從而達到少吃的目的。然而，現代人快速的生活節奏和廣泛流行的速食食品使這一方案顯得不夠現實。在考慮實用的同時，我們也應該意識到加工食品不會在短時間內消失。

另一個方案是重構（re-engineer）食物。這聽起來很極端，但是某種意義上，它們已經出現在了我們的生活中：許多現代加工食品為迎合消費者偏好而變得更加細膩、濃厚、味道鮮明。這一方案的主要挑戰是在創造美味食物的同時，有效地將食品中添加的飽腹感激素釋放到它們最能發揮作用的人體組織里。而這些所謂「功能食品」的開發就需要用到軟物質物理。

不只是營養

除具有「正常」的營養價值和味道外，功能食品能帶來一些額外的生理效應。舉例來說，富含維生素的麵包、牛奶和橙汁，加入「益生菌」的酸奶，高Ω-3脂肪酸的雞蛋，添加纖維來減少脂肪含量的肉製品。功能食品也可以方便過敏或者有其它健康狀況的人群：無乳糖和無麩質食品越來越多地出現在超市貨架上。

但是用更健康的成分替代原有成分，或者向已有的食品配方中添加新的成分（比如飽腹感激素），都不是一件容易的事情。食品配方往往都是長時間實踐研究而得的複雜成果，添加或者去除任意一部分都會產生難以預期的後果。

理解食物結構和食品配方的任務正好屬於軟物質物理的領域：軟物質物理研究含有分散的氣泡、膠體、乳液或聚合物的複雜流體。這些分散物質的尺度可以從納米到微米量級——後者正是咀嚼時你的唇舌所能感知的尺度。

以冰淇凌為例，它含有氣泡、乳液、冰晶等膠體顆粒，也含有作為聚合物和兩親性分子（同時包含親水基和疏水基的分子）的蛋白質。而在巧克力中，可可顆粒、糖晶體和蛋白質聚合物混合於可可脂連續相中。啤酒泡沫則依靠生物分子降解產生的聚合物來保持穩定。在軟物質物理學家眼中，義大利面就是一種玻璃相的無定型碳水化合物。所有這些食物成分都充滿了生物學複雜性，但它們都可以被改造，並且為將功能性成分送達身體中相應部位提供了可能性。

乳液（分散相液滴懸浮於連續相液體的混合物）可以將飽腹感激素運送到腸道。很多加工食品都含有這樣的乳液：沙拉醬就是油滴懸浮於富水相中的乳液，而黃油和人造黃油則是水滴懸浮於富油相中。這樣的乳液中，作為「乳化劑」的兩親分子可以穩定其中懸浮的液滴，避免液滴間的聚集；「乳化助劑」則可以使連續相變得濃厚或發生膠化，從而避免乳滴間發生碰撞。這樣的乳液中同時含有水相、油相和兩親相，就可能可以同時容納用以提升飽腹感的多種功能成分。合理地組合、加工乳液可以使它們形成各種質地，從糊狀到膠狀再到可以自由流動的液體，甚至可以在乾燥後成為粉狀的添加成分。重要的是，很多食品級的材料都可以用相對簡單又節能的方法加工成乳液。

然而乳液也確實存在局限，有些在食物處理階段就會遇到。高溫烹煮、低溫冷藏或冷凍、強力攪拌、pH值改變都會使液滴變得不穩定，這就給功能食品的研發提出了難題。如果油相分散於水相中的乳液的穩定性被破壞，分散的液滴就會聚集在一起，在食物的內部或者表面形成富油相——也就是發生了「油析」，這樣的情況是我們不想看到的。

通過在液滴外包裹上由帶電聚合高分子電解質形成的堅實的薄膜，可以提升乳液的穩定性。我們可以對薄膜的成分進行選擇，使之可以在特定pH或鹽濃度條件下溶解或產生空洞，從而在腸道中特定的位置釋放出飽腹感因子。

這種薄膜並不一定要很薄或者由聚合物構成：比如纖維素顆粒或者更小的液滴，它們的表面本身就由一層蛋白層包裹，構成了所謂的「皮克林乳液」。如何使用這樣的乳液則取決於食物：這種尺寸的液滴可以被口腔感覺到，而在酸奶等半液體食品中，它們會帶來沙礫般的不適口感。

液滴一般在小分子乳化劑的作用下維持穩定，不過小顆粒（圖中上部）或者蛋白質和多糖等生物高聚物（圖中下部）也可以起到同樣的作用。當液滴被小顆粒包裹時，就形成了「皮克林乳液」。小顆粒和聚合物在乳液外部組成結實的外殼，保護液滴內部成分不被外界環境降解。通過仔細篩選外殼材質，我們可以設計出不同的液滴，使之包裹的功能性成分（如飽腹感因子）只在胃腸道的特定位置釋放出來，從而最大程度地發揮作用。圖片來源：physicalworld

還有一種乳液技術是用乳液捕捉乳滴，形成一種被稱為「複合型乳劑」的分層結構。這種結構可以是「油包水包油」：在油的連續相中懸浮著「油分散於水中的乳滴」；也可以是「水包油包水」：在水的連續相中懸浮著「水分散於油中的乳滴」。複合型乳劑在「捕捉」揮發性成分方面十分有效，這些成分被包裹在一種它們無法穿過的外層介質中，從而阻止它們擴散到外部。這種結構也可以防止一些苦味成分在口腔中被釋放出來。另外，複合型乳劑可以保護食物中一些不穩定的成分，防止它們和外部物質發生不良化學反應，使食物變質。

雖然乳液能夠為封裝、遞送功能性成分提供不錯的方式，但遺憾的是，選擇合適的乳液、開發功能性食品並非探囊取物般簡單。我們的身體對於不同大小和組分的乳液顆粒會產生不同的反應。研究表示，較小的乳滴既能提供熱量又能增強飽腹感，而較大的乳滴卻會在提供熱量的同時減弱飽腹效果。乳液在人體內的哪個部位解體也很重要：如果油質乳液在酸性的胃中解體，那麼胃壁內就會裹上一層脂肪，從而減少飽腹感，但是脂肪降解的產物又會增強飽腹感。

乳液在食品領域的應用涉及到乳滴的大小、食品的味道與質地、腸道中的消化過程，以及飽腹感激素的最終釋放等因素之間非常複雜的相互作用。在弄明白這些作用之前，我們就像是想要擊中一個不斷移動的目標，極難成功。

蛋白質的效能

蛋白質也是一種有吸引力的食物成分。相比於脂肪，它們有兩點重要的優勢：熱量密度低，以及能夠帶來更強的飽腹感。簡單地改變溫度或pH值就可以使蛋白質變成纖維狀（透明）或是顆粒狀（不透明）膠質，使食物產生不一樣的質地。前文中提到，這些調節食品質地的膠質能夠加厚乳滴周圍的介質，阻止其團聚。同樣，通過簡單地改變溫度或pH，我們也可以控制蛋白聚集的方式，使蛋白質顆粒表現出乳液的特性。像乳液一樣，這些蛋白質可以用於封裝和緩釋飽腹感調控成分。同時，即使不加脂肪和油，它們也能帶給食物一種「奶油狀」的細膩質地。

相似的效應也可見於碳水化合物聚合物，比如澱粉、纖維素、殼聚糖、海藻酸以及樹膠。這些材料中有不少被用於封裝益生菌。不過，我們必須仔細設計這些封裝材料，使之能夠抵抗胃中的酸性環境，防止益生菌在到達小腸之前就被破壞。很多多糖也會被用作增稠劑，而且它們中很多不能被人體消化，因此不會直接提供熱量。有些「膳食纖維」同樣可以導致飽腹感，這可能是因為它們增加了食物體量或含水量，從而提高了飽脹的物理感受，但也可能是因為它們在小腸中發酵後，引發了飽腹感激素的釋放。

未來食品

理論上，重構的加工食物熱量密度更低：高熱量的食材（如脂肪）被替換成低熱量的替代品（如膳食纖維）。然而，這麼做很可能會影響食物的口味和質地，從而影響消費者的滿意度。對於這樣的兩難境地，食品物理學家提供了可能的解決方法：開發出能夠模仿熱銷產品口味和口感、同時又加入了可以在特定部位釋放內容物的新產品。智能食品加工也可能會減少糖和鹽的使用量，尤其是當糖和鹽的使用並不是出於調味或營養考慮的情況下。

在一個人們很少或完全不吃加工食物的理想世界中，上面的解決方案都沒有存在的必要。然而在現實世界中，90%美國人會購買方便食品，英國民眾50%以上的熱量攝入來自深加工和高熱量食品：食品的改善十分必要。或許，聰明的物理學家可以幫助我們阻止這場肥胖危機。